鋪面管理系統之過去、現在、與未來
邱垂德譯自
鋪面管理系統的過去
提到鋪面管理的起源，可能只是在大約30至40年前的某個時期、某個地點的某位工程師，在欲決定養護公路的優先順序時，認為有瞭解及量測各段路面狀況的必要，而開始進行這種在當時可能只以某種形式的卡片逐一登錄各路面的位址、沿線狀況、目前堪用情形等的一系列工作；又或許可以一路回溯至約2,000年前的古羅馬帝國，工程師為維持帝國公路通暢，所進行的各種努力；我們可能很難確定人類究竟由何時開始科學化、有系統地管理鋪面路網，身負煩重工作的鋪面工程師，許多人根本沒有興趣，事實上也沒有必要去追究歷史起源，但絕對有必要瞭解並體認鋪面管理的目的、欲達成此目的的方法、及如何說服上級管理階層去接受「建構並執行鋪面管理系統將使一般用路大眾獲得最大的利益」這樣的一個重要觀念。
在1980年分別於亞利桑納州鳳凰城及北卡羅萊納州夏樂市召開的美國首次全國性的鋪面管理研討會上，鋪面管理的目的才開始被明確的記載，當時這兩個研討會總共聚集172位有興趣深入探究鋪面管理及鋪面管理系統(Pavement Management System，簡稱為PMS)的工程師和科學家，當時定義的研討會目的為「為更有效率地管理鋪面，應探討並擬定聯邦及各州公路單位進行的各項短程及長程計畫」。當時只有5個州(亞利桑納州、加州、愛達荷州、猶它州、及華盛頓州)，據報已在個別的公路路段開始發展系統性的鋪面管理方法，尤其是猶它州，在Dale Peterson的領導下，最早於1977年發表名為「良好的道路花費最少(Good Roads Cost Less)」的文章，闡述了鋪面管理的觀念，該篇文章以「早做晚做都是要做」的觀點，說明「適時的養護路面將節省許多的養護費用」。到現在，美國所有的50個州，外加哥倫比亞特區及波多黎各，都已有某種形式的鋪面管理方案在執行或發展中。
由鋪面管理內涵的各種觀念來看，鋪面管理系統應算是起源於1956年至1960年間進行的AASHO道路試驗，當時負責執行道路試驗的工程師認為有必要以某種方式來評估鋪面的使用成效(Pavement Performance)，這種評估方式必需不受鋪面形式不同的影響，也就是不僅可以用在柔性路面，也可以用在剛性路面，且可用以描述鋪面的狀況，這就是在AASHO道路試驗時發展並使用的鋪面目前服務性(騎乘舒適度)。在道路試驗完成後，我發現許多人並不清楚鋪面目前服務性最初發展的原因及方法，因此有必要在此加以說明，當時的假設是基於認定「在安全無虞的前題下，騎乘舒適度是鋪面成效的主要指標」，問題是如何將這種觀念轉交由負責養路的單位使用？及如何不需真正每二個星期開車駛過各鋪面路段一次，而能評估鋪面的騎乘舒適度？Carey和Irick兩位先生在他們發表於1960年Highway Research Bulletin 250中的著作「鋪面服務性—成效觀念」說明了簡單的方法：首先組織一群人，載他們駛過選定的鋪面路段，並逐一詢問他們對各不同鋪面路段騎乘舒適度的個別主觀看法，緊接著就是量測各路段鋪面的物理性狀況，最後則是將客觀的物理性量測值與主觀的騎乘舒適度判斷建立關係。
在AASHO道路試驗時，主觀的評分乃由一個大部份是工程師組成的12人小組，對可能包括各種不同狀況的選定鋪面路段進行評分，評分使用1至5的連續數字，分別代表非常差、差、普通、好、非常好等5種騎乘舒適程度，這些小組的成員經過特別的訓練，只針對各路段鋪面的騎乘舒適度評分，而不受到鋪面外觀的影響，此種主觀的評分結果，稱為目前服務性評分(Present Serviceability Rating, 簡稱為PSR)，在對每一個路段評完分數後，小組的成員都被要求判斷此路段鋪面的騎乘舒適度可否接受，標準的問法是「若請你在此種鋪面路段上長時間或長距離開車，你覺得可否接受？」。
接下來就是針對這些已評分過的鋪面進行必要的物理性量測，一般的路面破壞型態如車轍、翹起、裂縫、修補面大小、鬆散狀況等，都一一量測，由於服務性(騎乘舒適度)被認為是鋪面糙度(Roughness)的函數，特別由Carey、Leathers、Huckins、和其它工程師(Other Engineers)共同發明稱為CLHOE的輪廓儀(Profilometer)，來量測各試驗鋪面段的糙度，此種儀器乃以「路面糙度是車輪路徑上斜率變異(Slope Variance)的函數」作為基礎，利用固定短間距的兩個小輪子組成直桿，量得「車輪路徑上的斜率變異」。
最後是將包括位於伊利諾州、印第安納州、及明尼蘇達州各選定鋪面路段之主觀評分結果的平均值，與該各路面之物理性量測特性間建立關係，而求得所謂「目前務性指數(Present Serviceability Index，簡稱為PSI)」，Carry和Irick指出，相關於鋪面服務性的訊息中，約95%是由糙度或平坦度所控制，其它如裂縫、車轍、及修補面積等，雖然對鋪面服務性的影響在統計學上具有顯著性，但對服務性評份的影響量相當有限，也難怪現在大部份的養路單位只用輪廓儀或其它糙度量測來評估鋪面的服務性。
雖然AASHO道路試驗時採用的主觀評分法容易招致各種批評，但所建立的「用糙度或平坦度代表的騎乘舒適度來評估鋪面成效」的觀念，雖然並不一定就是決斷鋪面應否進行修護的唯一參數，但卻一直是大部份鋪面管理系統的主要基石。自從AASHO道路試驗完成後，陸續投入數百萬計的研究經費，用於發展量測鋪面糙度的方法，及探討糙度與騎乘舒適度的關係上，這方面的研究努力，未來勢必還須持續的進行；現行用以量測鋪面糙度並與騎乘舒適度建立關係的主要方法是國際糙度指數(International Roughness Index，簡稱為IRI)，根據美國聯邦公路總署(Federal Highway Administration，簡稱為FHWA)於1996年對全美公路單位的問卷調查，在52個回覆單位中有47個單位是用IRI值量測路面糙度，並以之作為鋪面騎乘舒適度評估方法，但為了發展完整鋪面管理系統所需的預估模型，採用相同一致的評估參數是相當重要的，而IRI值是目前唯一可以符合一致性要求的方法。
在1981年，鋪面管理的領域中應否使用「系統(System)」這個字眼，引發相當多的爭論，聽起來似乎不可思議，但當時確實花了相當多的氣力在於決定「到底應該使用鋪面管理，還是應該使用鋪面管理系統？」，在英文字典上，系統被定義為「有次序地將一系列事實、原則、規定等分門別類，而使各不同部份合理地串連成一貫的整體」，我一向認為以鋪面管理所欲達到的目標及進行的程序而言，使用「系統」這樣的定義，實在是恰到好處。
早在1970年時，FHWA及Highway Research Board(現稱為Transportation Research Board，簡稱TRB)就已支助在德州大學召開一項瀝青混凝土鋪面設計研討會，參與這個研討會的全國各界相關人士，就已探討過應用系統工程(System Engineering)的優缺點，及系統工程應用於鋪面設計的可能性，並暗指系統工程應用於鋪面管理的可能性；在那次的會議上，Dr. Karl Pister(當時為柏克萊加大土木系的教授，後來當上柏克萊加大工學院院長及聖塔克魯斯加大執行長)說明使用系統工程的好處，並提出在管理階層做決定(Decision-Making)的過程中，模擬最佳化的方法，甚至提出鋪面管理系統中欲達成此最佳化的一般數學解；系統工程並不是由Dr. Pister首創，但他首次明確地指出鋪面設計及鋪面管理系統是一系列複雜的程序，解決這類複雜問題的其中一種方法就是系統工程。
同樣也是在1970年，Hass和Hutchinson共同向澳洲道路研究局提出一篇名為「公路鋪面管理系統」的論文，到了1974年，華盛頓州公路局在個別路段上(Project-Level)執行鋪面管理系統，以數學模型及建立的時程，規劃數種不同的養護(Maintenance)和修復(Rehabilitation)方案；1977年，Ralph Hass和Ron Hudson兩人合力出版有名的教科書，鋪面管理系統；1979年，NCHRP(National Cooperative Highway Research Program) Report 215名為「鋪面管理系統」的研究報告由Hudson、Hass、及Pedigo合力完成並出版，並於其中建立一套「如何發展鋪面管理系統」的綱要。
由1968年到1980年間，已有許多工程師和科學家接受鋪面管理系統的優越性，並且願意扮演推動的角色，其中較為人知者有：
- 學術界：Hass、Hudson、及Bob Lytton。
- 顧問工程師：Keshavan Nair, Ram Kulkarni, and Kamal Golobi.
- 政府官員：Bill Phang, Ramish Kher(加拿大安大略省)、Oscar Lyons, Gene Morris, and George Way(亞利桑納州公路局)、John Kemp, Glen Koontz, and Norm Clark(堪薩斯州公路局)、David Miles, Dale Peterson(猶它州公路局)、Herb Humphries, Roger LeClerc, and Tom Nelson(華盛頓州公路局)、Dick Morgan, and Frank Botekho (FHWA)、 Mo Shahin(美國工兵團)。
- 至於1980年以後的名單，則因為太長而無法一一列出。
早期的鋪面管理系統主要乃由資料庫、鋪面狀況指數、及以「較糟者較先維修」為原則的一套鋪面養護排序系統所組成，這套排序系統主觀地將路面糙度、各種不同的裂縫、鬆散、車轍、及剝落等參數，加權計算為一種綜合的評分指數，有些系統要求的物理性鋪面狀況量測類別高達15種，目前仍有許多單位採用此種綜合的評分指數，以便於概略瞭解路網中各路段鋪面的狀況；美國工兵團曾進一步發展較為合理的鋪面指數計算法，但在最後的分析中，也因大量地挾帶過多工程師判斷，而也同樣顯得過於主觀。
參與1980年鳳凰城及夏樂市鋪面管理研討會的工程師們企圖對發展及推行PMS的可能性加以評估，有一些評估的結果列在1981年由FHWA出版的該研討會論文集內，其中當然有鋪面管理系統的定義「指一套供不同管理階層用以決定最佳策略及維護不同鋪面適當服務性的系統，也就是以最佳化和最經濟的原則下，將鋪面養護和修復的各種工作有系統地排定時程順序的一套方法」；而針對發展及推行PMS提出13步驟計畫(13-Step Plan)如下：
- 決定開始推行PMS。
- 爭取並獲得最上層管理階層的全力支持。
- 擬定初期工作計畫。
- 組成由最上層管理階層和各部門主管組成的推動小組。
- 擬定細部工作計畫。
- 評估所需的軟硬體設備。
- 發展由數據收集方法、數據處理程序、分析方法及最佳化所組成的初步PMS。
- 試行並驗證目前PMS的可行性。
- 將成果向可能的使用者及決策者展示。
- 於本單位組織內設立PMS部門。
- 全面性的試行PMS並加以評估。
- 持續並常態性地使用PMS。
- 持續採行並時時加以改進。
參與1980年鳳凰城及夏樂市鋪面管理研討會的工程師們也將「個別路段的鋪面管理系統(Project-Level PMS)」和「整個路網的鋪面管理系統(Network-Level PMS)」，區分為不同的兩種鋪面管理層次，在當時，這種區分方法相當重要，因為大部份的工程師想到鋪面管理，都只是在個別路段的層次上，很少將整體路網一起考慮。在個別路段層次所得到的最佳方案，不一定就是將整體路網一起考慮會得到的最佳方案，最簡單的證明方式是提出下列的問題「將大部份養路經費用在一或兩個主要的路段，以使該主要路段的服務性大大提昇、服務年限也增長，還是將經費均分用在大部份的路段上，雖然預估的使用年限可能較短，但整體路網的服務性都加以提昇，何者較佳？」欲答覆這樣的問題，只有在整體路網的管理層次上才可能辦到，並需參酌許多不同的因素，例如使用者的花費(User Costs)等，且最後的決策往往是兩種策略都有可能是所謂的較佳。
推出任何一種新的觀念一定會有一些反對的聲音，雖然1980年的全國性鋪面管理研討會上，大致獲得許多的認同，但也有許多的質疑，有些工程師懷疑鋪面成效怎能預估？大部份工程師也都認為工程師的判斷與專業經驗，是1980年以前運作的鋪面管理養護系統中，決定那一種特定的破壞須加以處理的主要依據，且只要有3到5種破壞量測，頂多再加上路面糙度量測也就夠了，何需大費周章搞什麼PMS？以我個人的觀點，以前是因為大家不瞭解，到了1980年以後，之所以仍會對PMS的必需性產生懷疑，則主要歸因於以下的8項原因：
- 對決策方式改變自然產生的排拒心理。
- 對預估模型的可靠性質疑。
- 對發展PMS而必需投入的大量經費和時間無法接受。
- 可預見的是推行PMS並不會有降低養路預算的效果。
- 只要更有效率地使用現有的經費就可達到PMS欲達到的目的。
- 資料必需不斷的更新。
- 單位內部競爭決策主導權的影響。
- 需要受過良好PMS專業訓練的團隊來執行。
其實最主要的原因很簡單，許多人就只是不認為這樣的一個所謂系統會有用而已；就在未來將產生一種客觀且有效率的系統方法用以規劃鋪面維護和修復等各項工作，並可獲得許多潛在好處的同時，有些人認為不可能可靠地預估鋪面的成效，不可能在最適當的時機建議一項最好的養護方案，且對整體公路路網不可能有任何的改進。我們必須牢記，大部份的鋪面工程師只受過土木工程專業訓練，但採行PMS時則除了工程經驗外，尚需有統計學、數值模擬、經濟學、最佳化理論、電腦科學、及資料庫管理等知識，對需融合本身專業訓練、經驗、和認知以外許多不同學門知識的訓練，產生排斥是再自然不過的現象，幸好這種情況已經是過去了。
鋪面管理系統的現在
自1980年以來，已經召開了三次鋪面管理的國際性研討會，在PMS的發展上有許多的進展，第四屆預定於1998年在南非召開，美國運輸研究中心(TRB)設立鋪面管理部門並組成鋪面管理系統及鋪面養護委員會(Committees on Pavement Management System and Pavement Rehabilitation)，學術上則有數以百計的論文發表，且大部份都由TRB出版，美國州公路及運輸官員司協會(AASHTO)出版鋪面管理系統綱要(Guidelines for Pavement Management System)，世界銀行(The World Bank)已擁有應用於開發中國家的一套鋪面管理系統，美國土木工程師學會(ASCE)也於土木工程期刊中刊登許多PMS相關的文章，而國家公路協會(National Highway Institute)也持續不斷地支助許多在職訓練課程，以協助各州公路單位充分瞭解PMS。
除了扮演輔導並鼓勵各州公路單位的角色外，FHWA是發展並執行PMS的要角，經由支助國際性的會議，及以聯邦法案提供獎勵，例如1991年通過的「陸路複合運輸效率法案(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act, ISTEA簡稱為冰茶法案)就是典型的例子，在ISTEA中，FHWA確認將以PMS中的鋪面狀況指標，作為提撥各州際公路養護費用的依據，且於FHWA的執行方式中明確規定「各州必需於1993年1月13日以前，要有一套主幹線公路的鋪面管理系統且開始運作」。自此以後，這些對州公路局的許多要求，雖然不斷的進行檢討與再評估，甚至更改，已使PMS的價值獲得全國性的認知，許多類似的執行方式，都已由各州公路單位用於比照要求其下屬各郡及市政府等公路單位，必須於其各自的轄區內執行鋪面管理系統。
FHWA和AASHTO共同於1996年支持召集企業界、學術界、及聯邦和州公路單位的決策人員代表，進行財務管理相關研討會，在我看來，此研討會很清楚地將私人企業特別注重的財務管理觀念導入負責管理基礎建設的政府公路單位中，各公路管理單位有必要以私人企業財務管理的謹慎態度來管理我們的基礎交通設施，該研討會提出的一些看法，相當值得在此引述：
該研討會的執行綱要中闡述：維護良好的運輸系統對國家經濟發展的好壞有極關鍵的影響，聯邦及州政府對國家公路和橋樑的投資金額超過美金一兆元，且每年還須投入超過620億元在維護此運輸系統上…在目前這種組織精簡、工程再造、及全球競爭的時代，為達到短期經費縮減的目的而犧牲長程目標，不再花過多經費對現有的產物進行維護及保管，似乎是很具吸引力的做法，且也好像是目前一項完善的管理策略，就在這樣的一個公家單位必需以有限資源去滿足商業及個人旅運需求的艱困時期，有效率地分配資源並提昇運輸系統的管理效率，具有前所未有的重要性。
由前FHWA副局長Jane Garvey的致詞中闡述：在國家公路系統需求報告中，估計維護現有公路運輸系統所需的經費約為230億美元，由於此一數字高於目前政府能負擔的金額，必須以策略性的決斷來解決經費不足的問題，在相當多方面來看，維護和管理現有的公路系統，遠比重新建造原有的系統來得複雜，由於一般大眾要求更好的運輸系統，並對政府的經費運用效率相當在意，管理現有的公路系統正面臨前所未有的挑戰。
由FHWA的資料顯示美國的50個州政府、哥倫比亞特區、和波多黎各，都有某種形式的鋪面管理系統，其中的42個州據報其PMS中有優先排序法，20個州在預算編列及個別工程規劃時採用最佳化條款；根據德州研究發展基金會(Texas Research and Development Foundation, 簡稱為TRDF)於1994年的研究，雖然全美的47個州都是以IRI量測騎乘品質，但採用約達10種不同的量測方法，除了使用的儀器不同外，量測方法也不盡相同，有些單位只量測右側輪跡，有些只量左輪跡，而有些單位只記錄每一路段的最大糙度值，有些則求出左右輪跡的平均糙度值；在19個提報糙度臨界值的州中，無法接受或不良的騎乘舒適度代表的IRI值範圍有大至450in./mile者，也有小到45in./mile者，意見相當的分歧，很明顯是因為各單位使用不同的儀器，且又使用不同的測方法所致，此種儀器、方法、及記錄方式的不同，使得資料比對、經驗共享、及共同合作以謀求更大進步的工作產生相當多的阻礙。
由FHWA在1996年對全美52個單位所作的調查顯示，在各州PMS資料庫中主要的鋪面破壞型式計有車轍、翹起、和裂縫，有39個單位量測鋪面表面摩擦力，5個單位對整體路網量測撓度，9個單位正積極發展並研擬撓度的量測方法，由於執行PMS，在PMS的資料庫中正不斷產生許多鋪面狀況相關的有用經驗資料，這些資料將提供優先排序、最佳化、及預估模型之所需。
在TRDF涵蓋48個州資料的研究報告中，各單位量測柔性鋪面車轍和剛性鋪面翹起的方法和記錄方式也有很大的不同，例如有86%的州宣稱擁有車轍自動量測儀器，而7%的州使用人工量測，7%的州採用目視量測，在所有使用儀器量測車轍的州中，總計共有6種不同的儀器，且不同儀器使用的感應器個數差別相當大，有只使用3個感應器者，也有使用37個感應器者，至於將量得的車轍深度作為鋪面狀況好壞的判斷時，有些單位認為0.5英吋的車轍沈陷量就接近無法接受而需進行養護，也有某些單位認為超過1英吋才須採取行動，對於取樣點位的方法也有很大的不同，有以每1英哩為取樣單位的，有以同時構築斷面或相同斷面為取樣單位的，也有採用其它不明方法者，至於量測車轍的位置則可能是在內側輪跡處、外側輪跡處、或兩者的平均值，儀器的校正方式有的完全參照儀器製造商建議的不同方法，有的則是根本沒有儀器校正法，由於對車轍臨界值的界定將影響該單位車轍問題的嚴重性，但僅管判斷的標準有很大的分歧，令人感到有些意外的是，據報48個州中有25個州認為車轍是該州路面的主要問題之一。
有5個州因為轄區內州際公路中沒有剛性鋪面，而沒有量測路面翹起的必要，此外有29個州有收集鋪面翹起的數據，其中的8個州採用來自3種廠牌的量測儀器，而7個州採用目視量測鋪面翹起量，不被接受的鋪面翹起值範圍約在0.25英吋至0.75英吋之間，和車轍量測的狀況相同的是取樣的方法、提出報告的方式等，不同單位間有相當大的差異。
鋪面管理系統的未來
根據上述的許多資料，FHWA加以精煉，未來將至少對下列4種鋪面量測提出標準化的方法：(1)IRI，(2)車轍深度，(3)鋪面翹起量，及(4)各種不同型式的裂縫。為了改用標準方法，可能使以往收集到的許多資料失去其功用，在目前發展PMS的階段，是否應該提出這種標準化方法？正如以往有過的經驗，對此種標準方法的提出，鋪面工程界持有正反雙方的意見，我個人認為許多人對於能擁有標準的量測、說明、及記錄方法是有共識的，唯有如此，不同單位間才容易互通，在資料收集及分析的時候，更能經由相互合作而增進PMS的效益。
正如前FHWA局長Dr. Tom Larson在1985年國際性鋪面管理研討會上所言，「良好的專業人員應有求變的慾望，才能下不同於以往的決策，以較少的經費獲得較大的成效」，Dr. Larson也同時指出「如果沒有任何經費，當然就不會有什麼鋪面管理的必要，而若沒有良好的鋪面管理，肯定不會有足夠的經費」，鋪面管理及鋪面管理系統明顯地已經被認定是公路領域中的一部份，更是鋪面工程師在管理鋪面相關活動時，做正確決策的主要工具。
這10年來的科技進步相當快速，現在可能可以開始發展預估鋪面成效的數學模型，以便在諸多可能的替代方案中，做最佳的選擇並提出多年期的優先排序、鋪面的剩餘壽年、鋪面生命期經濟分析、及資料回饋系統。我在1970年首次對PMS產生興趣時，並沒有這些工具可用，接觸到電腦的機會也很少，根本沒有辦法執行這類的計算，現在，這類型的計算很可能只要用辦公桌上的電腦就可以執行，現在的工程師確實是有相當多的選擇，有些時候甚至會因面對這麼多的可能性和不同選擇方案而感到訝異。
我並沒有暗示「以現在的環境發展及推動PMS很容易」，實際上仍然是困難重重，尚未解決的問題至少有：統計預估模型的可信度、PMS是否容忍不確定因素存在、隨地域不同或時間不同產生各種物料價格的變異造成的不確定因素、對使用者經濟效益考慮方法、養護和修復建議方法的可靠性、及鋪面成效參數的標準量測方法和正確性等。解決這些問題所需的技術及推動PMS所需的科技不成問題，較大的困難來自組織本身的因素(Institutional Issues)，及缺乏推動PMS成為管理包括橋樑在內的整體運輸基礎建設，所需的堅定又持久的決心，這種決心有些是要來自擁有政治資源的上層管理人員的支持，有些則是要依靠實際執行PMS的工程師，這種決心最好是配合客觀及進取的態度，才能克服組織內部任何負面的批評，如果對執行PMS的能力不足、不夠客觀、而又不夠進取，則注定是要失敗的。
全面性的採用PMS也相當重要，有些單位已經擁有很好的系統，包括預算需求及養護和修復(Maintenance & Rehabilitation, M&R)的規劃，但卻只選擇執行其中的預算編列部份；PMS的主要效益在於協助判定M&R工作應如何執行？在那裹執行？及什麼時候執行？缺少這一部份根本無法達到PMS中的最佳化目的。
最後，PMS本身並不產生決策，只有下決策的人可以做決定，問題是下決策的人是不是有採用最好的工具去協助他們做正確且最好的決策呢？我不得不引用所謂的「陳腔爛調」來做總結，人類都已經登陸月球並已將機械人送上火星了，當然有能力設計、發展、並執行有效益的鋪面管理系統。
留言
張貼留言